长江科学院-获奖成果详情长江水利委员会青年科学技术奖

获奖名称: 多种水环境条件下粘性泥沙絮凝沉降过程与控制机制研究

获奖等级: 一等奖

获奖类别: 长江水利委员会青年科学技术奖

授奖单位: 长江水利委员会

完成单位: 长江水利委员会长江科学院

获奖年度: 2021

获奖人员: 郭超、陈鹏、朱帅

成果简介:所属科学技术领域：河流泥沙动力学；河口海岸泥沙动力学主要内容：絮凝是粘性泥沙最重要的特性之一，也是泥沙运动基本理论和运动规律研究的一大难点。经过几十年研究，国内外在泥沙絮凝特征与机制方面取得了较丰富的成果，但是由于絮凝过程十分微观且絮团容易破碎难以观测、絮凝影响因素众多、各种因素作用方式以及相互之间影响复杂多样等问题，在影响絮凝因素、絮团结构特性和絮凝对泥沙沉积定量影响等方面仍存在不足。本研究采用室内机制实验和多种有代表性的天然环境现场原型观测相结合的方法，系统性地观测、分析和探讨了不同水文泥沙环境条件下的絮团特性、絮凝沉降过程及其控制机制。主要开展四个方面研究工作：1）典型天然水体中絮团特征及变化规律研究，包括河流、河口最大浑浊带和潮滩环境； 2）絮团发育关键控制因子定量研究，主要针对水体紊动剪切强度、悬沙浓度和盐度；3）絮团结构变化影响机制研究，包括絮团分形结构及有效密度变化和模拟； 4）絮凝沉降及沉积效应研究，聚焦絮团沉速的时空变化以及对泥沙沉积的影响。特点：针对泥沙絮凝认识中的不足和薄弱环节，通过项目的研究取得以下创新认识： 发现水体紊动强度能显著影响絮团结构特性。对于相同粒径的絮团，水体紊动剪切越强，絮团结构相对越密实，有效密度和分形维数较大。 发现絮团沉降速度在垂向上以及潮周期过程中均存在显著差异，并且悬浮泥沙的沉降和淤积主要发生在涨憩时段。潮周期中涨憩时段絮凝程度最高，絮团粒径和沉速最大，短时间内中上层悬浮泥沙迅速沉降集中到底部并引起床面的淤积。 发现在河口最大浑浊带与河口潮滩两种不同环境中涨落潮期间絮团发育都呈现出不对称特征，并且这两种环境中不对称的模式相反。研究成果在理论研究层面加深了对粘性泥沙絮凝这一科学问题的认识，丰富了泥沙絮凝基础理论，为更好地解决诸如河道整治与维护、水库与港口航道淤积、水体生态环境保护与治理等相关的问题提供科学支撑和指导。应用推广情况： 1）基于研究成果发表的5篇代表性论文目前合计被引用52次，在国际国内学术会议4次作口头报告，成果获得行业专家认可； 2）淡水环境絮凝的研究成果被成功应用于三峡水库科学调度关键技术《三峡水库及上游区间产沙和三库联合优化调度条件下三峡水库及坝下游泥沙冲淤研究项目》当中； 3）对长江口北槽大小潮期间悬浮泥沙絮凝沉降过程与规律的研究成果被应用于长江口深水航道泥沙淤积整治以及相关数学模型模拟当中； 4）对荷兰Scheldt河口潮滩粘性泥沙冲淤变化以及絮凝特性的研究成果被应用到Scheldt河口淤泥质潮滩演变的模拟与预测相关数学模型当中。